Techniques d'étalonnage pour la vérification et le réglage des amplificateurs RF IRM avec un wattmètre entrelacé

L'utilisation des scanners à résonance magnétique (RM) a énormément augmenté au cours des trois dernières décennies. Bien que les radiographies traditionnelles soient encore couramment utilisées pour diagnostiquer les os fracturés et certaines pathologies des tissus mous, l'IRM est devenue aujourd'hui un outil de diagnostic clinique important. Il offre une méthode non invasive pour obtenir des images internes du corps humain et diagnostiquer des maladies telles que des lésions ligamentaires, des tumeurs cérébrales ou des lésions de la moelle épinière.

L'un des principaux composants de l'IRM est le tube magnétique horizontal où le patient est positionné pendant la procédure. Por regla general, este tubo está compuesto de imanes superconductores formados por bobinas excitadas por corriente eléctrica, de modo que crean un potente campo magnético dentro del tubo que obliga a los núcleos de hidrógeno situados en el interior del cuerpo humano a alinearse paralela o antiparalelamente al champ magnétique.

Au cours de la procédure MR, un amplificateur RF injecte le signal d'excitation RF (généralement dans la plage de 40 à 300 MHz) dans le tube magnétique, ce qui fait que les noyaux qui sont dans un état parallèle passent dans un état antiparallèle. . Une fois l'excitation RF terminée, les noyaux à l'état antiparallèle reviendront progressivement à l'état parallèle spontanément. Ces changements amènent les tissus corporels à émettre un rayonnement électromagnétique que l'IRM mesure pour déterminer les caractéristiques structurelles de ces tissus.

La précision de la puissance de l'amplificateur RF qui contrôle le signal de commande RF est périodiquement vérifiée et ajustée si nécessaire pour s'assurer qu'il répond aux spécifications réglementaires. La vérification et le réglage peuvent être effectués à l'aide d'un équipement de test tel qu'un wattmètre ou un oscilloscope.

Les wattmètres offrent une bonne précision et des mesures intuitives, car ils affichent la puissance mesurée dans l'unité préférée de l'utilisateur : kW ou dBm. Si vous utilisez un oscilloscope, vous pouvez vous référer à un tableau de tension crête à crête (Vpp) qui le mappe à la puissance en kW ou dBm. [Remarque : pour ce faire, la valeur Vrms de Vpp doit d'abord être obtenue, puis convertie en puissance à l'aide de la formule V2rms/R, où R est l'impédance d'entrée du système de mesure.]

Les wattmètres sont capables de suivre et de mesurer l'enveloppe de puissance RF sur une large gamme dynamique de puissance utilisable et de bande de fréquence. Ils offrent un déclenchement de type oscilloscope et une configuration de mesure flexible. Si tout est normal, le wattmètre affichera le signal d'impulsion d'excitation RF, comme illustré à la figure 1.

La plupart des compteurs peuvent mesurer rapidement et avec précision la puissance moyenne et la puissance de crête d'un signal d'entraînement sous la forme d'une impulsion (rectangulaire, trapézoïdale, sinusoïdale, etc.). Il est normal d'obtenir des vitesses de mesure supérieures à 40 lectures par seconde et une précision meilleure que 5% sur toute la gamme des fréquences de fonctionnement. La précision peut être attribuée aux normes nationales de laboratoires nationaux accrédités, par exemple le NIST (Institut national des normes et de la technologie des États-Unis) ou le NPL (Laboratoire national de physique du Royaume-Uni). Compte tenu de ces avantages, l'utilisation de wattmètres pour effectuer des contrôles et des ajustements MR dans les hôpitaux, les laboratoires et les usines de fabrication s'est considérablement répandue parmi les ingénieurs et les techniciens.

Les capteurs de puissance conventionnels (le dispositif de détection du wattmètre) ne fonctionnent que dans la plage de puissance dynamique de 1 nW (-60 dBm) à 100 mW (20 dBm). Afin de pouvoir utiliser un capteur de puissance pour mesurer les signaux RF pour MR, qui sont généralement de l'ordre du kW, il est d'abord nécessaire de réduire la puissance d'entrée en connectant un coupleur directionnel ou un atténuateur au capteur de puissance pour former un compteur. puissance entrelacée (Figure 2).

Si un coupleur est utilisé, en sélectionnant le facteur de couplage approprié, il est possible d'atténuer un signal de commande RF émis à une puissance extrêmement élevée par l'amplificateur RF à un niveau de puissance inférieur dans le bras de couplage, où il peut être mesuré avec un capteur de puissance conventionnel. . Par exemple, pour mesurer un signal d'excitation RF d'une puissance moyenne de 2 kW (63 dBm), on peut utiliser un coupleur avec un facteur de couplage de 60 dB, qui réduira le niveau de puissance jusqu'à 3 dBm en sortie de le bras de liaison.

Dans les applications sur le terrain, l'entrée du coupleur est connectée à la sortie de l'amplificateur MR RF, la sortie du coupleur est connectée à une charge haute puissance, le capteur de puissance est connecté à un port couplé vers l'avant, et l'avant- port couplé vers l'arrière vous vous retrouvez avec une charge de 50 Ω. Selon l'application, la charge de terminaison de 50 Ω du port rétrocouplé est parfois remplacée par un capteur de puissance pour mesurer la puissance RF réfléchie par la charge haute puissance. Dans ces cas, le niveau de puissance du signal de commande RF est mesuré au niveau du port couplé vers l'avant.

La majeure partie de la puissance incidente (signal d'entraînement RF) traversant le coupleur est dissipée sous forme de chaleur (un coupleur avec une perte d'insertion de 0,1 dB entraînera une dissipation d'environ 2,28 %). puissance d'entrée sous forme de chaleur à l'intérieur du boîtier du coupleur), ou est absorbée par la haute Charge de puissance.

Avant d'utiliser le wattmètre intégré pour effectuer des réglages MR, il est nécessaire de caractériser et d'étalonner correctement le coupleur directionnel et le capteur de puissance à l'aide d'un équipement de test traçable afin de minimiser les décalages et les erreurs entre les interfaces de connexion, améliorant ainsi la précision et la répétabilité des mesures.

Pour effectuer l'étalonnage, il est préférable d'avoir tous les composants connectés formant un seul système, c'est-à-dire connecter le coupleur au capteur de puissance et celui-ci au wattmètre. L'ensemble de test injecte alors un signal dans l'entrée du coupleur pour acquérir les réponses du wattmètre embarqué. Cependant, un facteur de couplage élevé augmente la difficulté d'étalonnage, car il réduit considérablement le rapport signal sur bruit (SNR) dans le capteur de puissance. L'alternative consiste à utiliser un amplificateur de très haute puissance afin de fournir suffisamment de puissance au coupleur pour générer un SNR raisonnable lorsqu'il entre dans le capteur de puissance. L'inconvénient de cette approche est que le système de test a des coûts initiaux et de maintenance plus élevés.

Il existe une technique plus efficace et moins chère : calibrer séparément le capteur de puissance, le wattmètre et le coupleur directionnel.

La caractérisation du wattmètre embarqué est essentiellement composée de trois paramètres : les étalonnages de fréquence, de puissance et de température. En caractérisant ces trois paramètres, le wattmètre intégré fournira un résultat précis et reproductible pour la fréquence instantanée mesurée, la puissance RF d'entrée et la température ambiante.

En utilisant la technique d'étalonnage la plus économique, les réponses en fréquence du capteur de puissance et du coupleur sont étalonnées séparément. Le coefficient d'onde stationnaire (VSWR) et la réponse en fréquence du capteur de puissance sont mesurés. Le coupleur peut être calibré à l'aide d'un analyseur de réseau vectoriel pour obtenir les paramètres s, qui indiquent les caractéristiques RF de l'appareil telles que la non-concordance RF, la perte d'insertion, le facteur de couplage et la directivité. Ensuite, les réponses en fréquence du capteur de puissance et du coupleur sont mathématiquement combinées en utilisant la règle de Mason.

La règle de Mason est une formule générale dérivée du modèle de flux de signaux d'un système RF, qui dans ce cas est un dispositif à 4 ports, comme illustré à la Figure 3.

Le facteur de couplage effectif à partir du port 4 (le port couplé vers l'avant qui est connecté au capteur de puissance) peut être calculé à l'aide de la règle de Mason

où:

Le résultat de ce calcul combiné à la réponse en fréquence du capteur de puissance permet d'obtenir une réponse en fréquence combinée.

Un exemple de réponse en fréquence combinée est illustré à la figure 4.

Le graphique montre la caractéristique de fréquence référencée à 50 MHz. Les données sont utilisées pour compenser l'erreur à chaque point de fréquence de la mesure.

Alors que l'étalonnage de la puissance affecte l'étalonnage de la linéarité d'un appareil, l'étalonnage de la température garantit que les résultats de mesure sont précis à différentes températures de fonctionnement. Presque toutes les diodes de détection RF (le circuit intégré de détection à l'intérieur du capteur de puissance) se comportent de manière linéaire dans la région quadratique généralement en dessous du niveau de puissance de -20 dBm et présentent une non-linéarité au-dessus de -20 dBm. En d'autres termes, la sensibilité du détecteur RF varie de manière non linéaire au-dessus de -20 dBm, donc effectuer des étalonnages de linéarité assurera une compensation des erreurs de non-linéarité.

Les caractéristiques de température et de puissance montrent généralement une forte dépendance, c'est pourquoi ces paramètres sont généralement calibrés en même temps.

Un exemple est illustré à la figure 5. La principale caractéristique vient de la diode de détection, tandis que le reste de l'électronique joue un rôle secondaire.

La capacité d'effectuer des ajustements précis et reproductibles de la puissance RF MR est essentielle pour garantir la conformité aux normes établies par les autorités de l'industrie médicale. Une technique d'étalonnage fiable nous permettra d'être sûrs que nous atteignons l'objectif.